山東耐測轉載
作者：劉華東, 趙慶云（中航工業北京航空制造工程研究所, 北京 100024）

    壽命問題是影響飛行器安全運行的重要因素之一，在飛機結構設計中，把飛機結構從開始使用到發生疲勞破壞所作用的循環載荷的次數或時間，稱為疲勞壽命。為了確保設備在使用時存在或正在擴展的裂紋不會發生無法挽回的災難性事故，必須可靠地確定疲勞條件下的疲勞安全壽命，估算結構的疲勞安全壽命對于設備的安全使用、維護具有重要意義[1]。隨著飛機壽命的增加，由于疲勞引起的飛機安全飛行問題越來越嚴重。

    目前，飛機結構件采用的主要連接方法仍是機械連接，一架飛機上裝有幾十萬甚至二、三百萬個鉚釘和螺栓。緊固件連接孔是飛機疲勞破壞的薄弱環節，因交變應力的作用，源于孔的疲勞裂紋極易擴展到受力結構件上而引發災難性的事故[2-4]。服役飛機中發現的疲勞裂紋60% 以上都出現在緊固件孔處。因此，必須采取長壽命連接工藝措施，避免緊固孔處初始裂紋的出現和延緩裂紋擴展的速度，這對提高飛機壽命顯得尤為重要[5]。

    根據技術特點，長壽命連接技術可分為孔強化技術、干涉連接技術和防腐蝕和抗氧化技術。孔強化技術通過開縫襯套或無縫襯套使結構孔壁產生殘余壓應力，可延遲裂紋的擴展，從而提高接頭的疲勞壽命。干涉連接技術通過緊固系統與被連接孔產生過盈配合，使孔壁產生殘余壓應力。復合材料干涉配合，使孔壁產生毛刷狀分層，孔壁產生軟化，大幅度降低應力集中系數，從而提高結構的疲勞壽命。防腐蝕和抗氧化技術采用特種涂料和涂覆技術，將緊固件表面涂覆上一層涂層，使緊固件與結構連接時達到結構防腐蝕、連接時不被咬死、在高溫場合抗氧化，從而使結構連接可靠，達到預期壽命。

    近年來, 隨著現代*飛機對壽命的要求越來越高, 大大促進了長壽命連接技術的研究和開發, 長壽命連接技術在廣度和深度上都取得了的進展。

孔擠壓強化技術

    孔強化是對經過最終熱處理構件上的孔進行孔周局部強化處理，產生彈塑性變形的工藝過程，是提高連接部位疲勞壽命的工藝方法[6]。冷擠壓強化是孔強化的方法，由于此方法操作簡便、增壽效果好，在世界范圍的飛機制造和維修業中廣泛應用于容易滋生疲勞裂紋的結構孔中。圖1 給出了FTI 公司冷擠壓系列產品典型應用部位，含下翼面、機翼掛架、機身或機翼的連接部位、環窗/ 門的周圍、起落架掛架、引擎掛架和結構孔，如緊固件孔、鉚釘孔、排水孔。

    通常所說的冷擠壓強化指孔壁冷擠壓強化，于20 世紀60 年代提出，用來作為延緩疲勞失效孔裂紋擴展的一種方法，其基本原理是使孔周產生有益的殘余壓縮應力。經冷擠壓強化后孔壁應力分布如圖2 所示[7]強行擠壓的孔壁沿徑向擴張，使材料塑性屈服形成了殘余應力，塑性變形的同時，孔周也存在著回彈。從圖2看出孔冷擠壓強化產生殘余徑向應力和周向應力，壓縮應力從孔邊沿徑向擴大到一個直徑的環形區域，逐漸達到峰值，大致等于材料的壓縮屈服強度。拉伸應力峰值為材料拉伸屈服強度的10%~15%，拉伸應力區存在于壓縮應力區之外。壓縮應力遠大于拉應力，這將可能把缺陷擴展為疲勞裂紋的拉應力有效地屏蔽掉，因而改進結構疲勞壽命。

圖1 FTI公司冷擠壓產品典型應用部位

Fig.1 Typical application site of FTI cold expansion products

    冷擠壓強化根據所用工具的不同，分為開縫襯套擠壓和芯棒擠壓兩種。芯棒擠壓是用拉槍或鉚槍使芯棒通過孔，芯棒大端直接與孔壁接觸。開縫襯套擠壓如圖3 所示，通過使用錐形芯棒，配合內部預潤滑的不銹鋼襯套來實現強化工藝。芯棒拉過孔時，徑向擴張，使孔周屈服，產生的殘余壓縮應力，從而改善金屬結構的疲勞壽命。孔冷擠壓強化完成后，襯套被廢棄。

    目前開縫襯套擠壓可強化材料有鋁合金、低碳鋼、鈦合金、高強鋼等所有航空金屬材料，可強化的直徑范圍3.1~25.4mm。通常擠壓量的選擇與材料特性、連接幾何參數等諸多因素有關。擠壓強化后有因襯套開縫而產生的微小凸臺，強化后需進行鉸孔。典型的飛行器結構中，鋁合金的擠壓量至少為3%，鈦合金和高強度鋼的擠壓量為至少4.5% 時，才能達到的疲勞性能。

    如圖4 所示[8]，在典型的飛機結構上，孔強化所帶來的疲勞壽命改進通常3~10 倍，可以有效阻止孔周圍細小裂紋擴展，相比于重新設計結構而言，是一種有效的省錢方式。無需增加重量或改變結構剛度，簡單、易用的單側操作，適用于結構操作空間受限的區域，如機翼下翼面在起飛前以及降落后，承受強烈的壓應力。孔中長期存在拉伸應力，是疲勞易發生部位。以空客A320 為例，此部位所有連接孔采用FTI 公司的冷擠壓工藝后，單個機翼在滿足疲勞壽命的前提下減重近500kg。

    開縫襯套冷擠壓強化技術自1969 年開始投入使用以來，已得到范圍內的軍、民機制造商和運營商以及的廣泛認證和應用。在過去的40 多年里，由于飛機不斷改進經濟性，并不斷引進新材料，FTI公司不斷進行工藝試驗和疲勞試驗以滿足不同的應用和新材料的需求。

    FTI 平均每年會發表11 篇與冷擠壓相關的論文，因其對產業的持續貢獻而得到認可，始終在這一技術領域保持地位。隨著飛機減重、長壽命、可靠性的需求增長，FTI 公司在開縫襯套冷擠壓強化技術基礎上，結合干涉配合連接技術，開發了如圖5 所示的ForceTec®、ForceMate®GromEx®、FleXmate ® 等多種衍生緊固系統。

    在對緊固系統內壁冷擠壓的同時，緊固系統與結構發生干涉，充分發揮了孔擠壓和干涉配合連接技術相結合提高飛機壽命的良好效果，具有裝配速度快、抗雷擊、導電性好的優點，同時，接頭強度得到改進，大大提高結構的疲勞性能和簡化結構密封。

1 ForceTec® 無耳托板螺母

    ForceTec® 無耳托板螺母如圖6（a）所示，由底座和螺母兩組件構成。其關鍵零件是用于固定螺母的底座，底座采用不銹鋼或鈦合金材料，結構包括敞開式、封閉圓頂、高浮動以及面板結構。底座內孔有干膜潤滑層，使用標準FTI 拉槍、與復合材料特性相匹配的芯棒、鼻頂帽，安裝時，芯棒擠壓底座內孔壁，孔壁與結構實現干涉貼合。ForceTec® 無耳托板螺母主要用來替代傳統的鉚接、開槽或粘接式托板螺母，大量文件證明ForceTec® 無耳托板螺母能夠降低循環拉伸載荷對金屬結構耐久性的影響。

    從圖7 的ForceTec® 無耳托板螺母與普通螺母安裝后的疲勞壽命對比可以看出，安裝ForceTec® 無耳托板螺母冷擠壓孔的部件疲勞壽命是普通螺母安裝后的部件疲勞壽命的3~10 倍，而且去除了舊工藝的鉚釘孔以及由此帶來的附加應力。同時，不再需要安裝鉚釘，大大降低了結構的重量。通過冷擠壓強化安裝ForceTec® 無耳托板螺母底座，為孔周圍的材料引入了有益的殘余壓應力。與鉚接形式相比，ForceTec® 提供優良的疲勞性能，能夠降低裂紋擴展速率或抑制細小裂紋的生長，從而提高部件的損傷容限。

    ForceTec® 與結構孔之間的初始狀態為間隙配合，冷擠壓強化后，ForceTec® 表面的防腐涂層不受損，且能均勻分布在孔表面，并保持完整狀態，從而提供優良的抗腐蝕能力。

    ForceTec® 系統的另一大特征是安裝速度快、安裝質量始終如一，通常ForceTec® 底座安裝時間是鉚接的1/4 或1/2。另外，小孔不好鉆，特別是材料厚的部位或在鈦合金材料上，消除了這些鉚釘孔數就減少了疲勞裂紋源。ForceTec® 無耳托板螺母簡單的安裝工藝以及改善疲勞壽命的優勢，使其成為節約成本的之選，明顯地降低了飛機的人力和維護成本。因其出色的特性，ForceTec®是美國的可用于掛架的無需鉚接的托板螺母系統。

2 ForceMate®襯套

    ForceMate® 襯套安裝工藝，通過拉拔一個過盈芯棒穿過孔中預置的一個間隙配合且帶內壁潤滑的襯套實現襯套安裝，單面操作。標準ForceMate® 系統主要用于安裝NAS標準壓入式直通、翻邊襯套、標準公制襯套，如圖8 所示，可實現鋁合金、鈦合金或高強度鋼多層疊材襯套安裝、多層疊材不同壁厚襯套安裝以及多層疊材所有襯套同時安裝。如圖9 所示，可以看出與傳統采用液氮冷縮配合襯套、強力壓合襯套相比，ForceMate® 冷擠壓襯套擁有明顯的優勢：（1）高度一致性地高干涉配合，同時對孔做冷擠壓，優化抗疲勞性能；（2）增加疲勞壽命（15~20倍）；（3）提高損傷容限；（4）大幅延長裂紋生長周期（20 倍）；（5）消除微振疲勞；（6）提高抗腐蝕性；（7）延長檢查周期，減少生命周期成本。使用*ForceMate® 安裝工藝后，無需再擔心低溫液體的危險性、漫長的等待，襯套與安裝孔之間不再需要精密公差配合計算，更不用擔心安裝后的襯套在安裝過程中發生刮擦而產生無法檢測的損傷，同時不用擔心由于襯套與結構孔間隙而導致的腐蝕。ForceMate® 冷擠壓襯套安裝系統還可應用于金屬/ 復合材料混合結構，采用與不同材料相匹配的冷擠壓量同時在金屬與復合材料上安裝襯套，大大減少了生產周期與人力成本。

3 GromEx®系統

    FTI 公司的GromEx® 系統使用一個干涉配合的金屬薄襯套對緊固件孔壁進行強化，其工藝基于FTI 成熟的冷擠壓技術，針對復合材料而設計，徑向擠壓量經過精細調整，確保適當的干涉性能，同時防止對復合材料產生局部損害。

    GromEx® 提高了緊固件與復合材料之間的導電性，具有優異的抗雷擊性能，無需密封劑和粘貼劑。碳纖維/ 環氧乙烯面板帶粘接襯層采用10kA 雷擊破壞試驗，可承受102kA，而*相同的材料采用GromEx® 襯套冷擠壓安裝，雷擊規模10 倍于100kA，材料受損明顯小于粘接襯層的試驗組，說明GromEx®與粘接內襯相比降低了雷擊對復合板的損傷[7]。

    GromEx® 系統的特點是允許重復干涉配合緊固件安裝和拆除，不需要任何額外的機加工，也不需要對孔進行返修。重新安裝后無需移出GromEx®，緊固件仍能保持穩定安裝和拆除力。同樣，GromEx® 的內徑保持在緊固件設計要求的干涉范圍尺寸之內。

    對安裝到GromEx® 的緊固件和安裝到裸孔內的緊固件性能進行了機械測試性能對比，使用單剪切樣品，按照ASTM D5961 標準進行動態測試，如圖10 所示[9]，測試結果顯示與裸孔相比，使用GromEx® 不會對結構產生損害，反而會提高產品生命周期。

4 FleXmate® 管路適配系統

    FleXmate® 管路適配系統采用FTI 的冷擠壓工藝，成功應用于世界各種飛機的燃料系統、惰性氣體系統、發動機控制系統、電氣系統以及排水系統，包含了工業標準的端頭配件, 可以設計成任意幾何形狀以滿足應用需求。通過減少或者消除諸如襯墊、法蘭、扣件和密封劑等達到有效減輕重量的目的。FleXmate® 適配器是從其初始的間隙配合放射狀膨脹后鎖定到結構中達到均勻的干涉配合，通常安裝還會在適配器周圍引入一個有利的殘余應力區域。如圖11 所示[7]，與傳統的適配器不同，采用冷擠壓技術的FleXmate® 適配器不需要緊固件就能夠抵抗滑移，不需要密封劑就可以密封貫穿部位。通過減少FleXmate®適配器的法蘭外殼，并且盡可能減少貫穿部位周圍的結構襯墊，減少連接件的孔數從而降低附加重量，與

此同時降低與之相關的應力梯級。FleXmate® 配件的干涉配合為金屬與復合材料疊層結構提供強度收益，使得減輕重量成為可能。FleXmate® 配件為貫穿機體結構提供了更緊密、更經濟的工藝方法，它的零件具有更小的徑向外殼，更輕，與采用緊固件的傳統配件相比對機體結構的穿透更少。

    FleXmate® 系統另外一個重要的特性是適配器的安裝速度和恒定的安裝質量。多數情況下，適配器安裝到一個單孔內，消除了老工藝由于附有小鉚釘孔或緊固件孔所帶來的相關問題，包括更加集中的應力，解決了短邊距結構所帶來的安裝不便，增強了裂紋萌生點的疲勞強度。與傳統的間隙配合產品相比，所安裝的FTI 零件與安裝材料之間產生高干涉配合，從而擁有的抗疲勞性能。

（干涉）連接技術

    為了滿足飛機在結構高壽命、高可靠性、減重、密封等方面的要求，美國、俄羅斯、法國等航空發達國家，自20 世紀80 年代起，針對復合材料結構，開發了帶襯套的干涉連接緊固系統，如干涉單面螺紋抽釘和干涉環槽釘等[10]。近年來，緊固件的選用趨向于結構簡單、減重、可靠、實現多種功能用途。

    具有代表性的是Alcoa 公司開發的Ergo-Tech 緊固系統[11]，此緊固系統由釘體和襯套兩個零件組成（圖12）。相比于過去的5 組件抽釘，Ergo-Tech 系統結構更簡單、可靠、減重。適合單面安裝結構，不需要第2個人操作，安裝工具界面允許轉移安裝力以避免拉脫。另外，安裝過程不會將振動傳到操作者的手上，這樣安裝人機界面友好，這些平穩的安裝特性使此緊固件適合于機器人自動安裝。Ergo-Tech 系統已形成貨架商品，廣泛用于單面連接結構自動化安裝。另一個具有代表性的是Lisi 公司開發的（Sleeve Taper HI-LITETMSystem， STL）[12]，帶襯套的干涉錐形螺栓緊固系統的襯套內壁為錐形，從頭到桿尾端壁厚逐漸加大。與多組件的干涉單面螺紋抽釘和干涉環槽釘相比，可靠性更高。與不帶襯套的錐形螺栓相比較，不需要制錐形孔，安裝工具、工藝簡單。同時，安裝過程中釘桿使得襯套徑向膨脹與孔壁貼合，干涉更均勻，提高接頭的電流散逸，實現高傳導、抗雷擊。STL 緊固系統由于其優良的性能，已廣泛應用于A350 翼盒、中機身。

防腐蝕和抗氧化技術

    飛機為了減重，大量采用鈦合金緊固件。鈦合金緊固件與鋁合金結構連接產生較大的電位差，連接部位易產生電位腐蝕而使接頭失效。因此，國外于20 世紀70 年代開發了鋁涂層，如Hi-Shear 公司的Hi-Kote1、Hi-Kote4 鋁涂層，用于合金鋼、鈦合金緊固件，解決電偶腐蝕問題，在*飛機上得到廣泛應用。隨后其他公司開發了Kal-Gard 2242、Kal-Gard 2245 和Incotec-8G、Incotec-9等鋁涂層，制定了相關公司標準，如波音公司的BMS10-85、Hi-Shear公司的HS294 和HS397，并形成了緊固件用鋁涂層的航空航天標準NAS4006，對涂層的厚度、粘結力、耐熱、脆性、耐液壓油、防腐、潤滑等性能進行了規定，對整個緊固件鋁涂層的發展起到了規范作用。

1 無鉻環保鋁涂層

    抗偶腐蝕涂層采用的鈍化劑多為鉻酸鹽，6 價鉻對人體及環境極為有害，不僅在涂層涂覆過程中會產生污染，而且產品在使用及廢棄時會對環境造成二次污染。近年來為滿足環保要求，限制了對6 價鉻的使用，鋁涂層逐步向綠色無害發展。20 世紀初，Hi-Shear 公司在Hi-Kote1、Hi-Kote4 鋁涂層的基礎上，開發了Hi-Kote1 NC 和Hi-Kote4 NC 無鉻鋁涂層，已在新一代的STR 鈦合金自鎖螺母[12] 和HSTR 鈦合金高鎖螺栓等新型緊固件上廣泛應用[13]。

2 高溫潤滑涂層

    航空發動機緊固件在高溫（≥ 650℃）狀態下的表面性質和常溫狀態下有明顯的區別，特別是在缺少油氣潤滑的情況下，由于存在裝配預緊力，緊固件的螺紋表面、緊固件與裝配結構之間的接觸表面，往往受到磨損、咬死和微動磨損。當環境溫度越高時，磨損、咬死和微動磨損的危害就更明顯，此時傳統的油氣潤滑已經失效，磨損將導致強度下降，咬死則給拆卸維修帶來許多困難，緊固件要求使用15 次，產生這種情況則使緊固件不可拆卸，增大維修成本。雖然采用鍍銀可以解決潤滑和抗咬合問題，但鍍銀層使用溫度為650℃，而發動機需要使用800℃以上的標準件和耐高溫涂層。如圖13 所示，SPS 公司針對150ksi 的Waspaloy 高溫合金十二角頭螺栓，開發了Tiolube K14-T9B 無機干膜潤滑涂層，用于避免螺紋緊固件的磨損和咬合，使用溫度可達870℃，用于代替Inconel 和Waspaloy 緊固件上的銀鍍層。高溫潤滑涂層的應用可以提高發動機緊固件的可拆卸性能，提高緊固件的使用壽命，降低發動機的維修成本。

圖13 高溫涂層緊固件

Fig.13 Fasteners with high temperature coating

結束語

    國外為滿足不同技術領域的使用要求，長壽命機械連接技術飛速發展，新零件、新工藝不斷得到開發。多種孔強化衍生緊固件，新型緊湊型、高可靠、適應自動化安裝的*緊固件，以及滿足環保要求、防腐、潤滑涂層被廣泛地應用到民用及工業中的各個領域。

    國內近年來在長壽命連接技術方面也有了較大發展，研制出了公英制系列規格開縫襯套，進行了特定材料的孔強化技術研究，開發了復合材料結構用帶襯套的干涉鈦環槽釘干涉緊固系統和干涉單面螺紋抽釘緊固系統，接頭疲勞試驗獲得提高1 倍的疲勞壽命增益，在某些型號的集成驗證盒段上均得到應用。但自身成熟度還不高，與國家比，研究不夠系統，尚不能滿足設計在各種連接場合選擇需要。急需針對不同特定部位開展新型*緊固件工作機理深入研究，如*新型緊固件（涂層）制造技術研究和安裝技術研究、強化技術研究以及使用效果分析評估，努力為長壽命機械連接技術的進一步工程化應用奠定技術基礎。


 

參 考 文 獻

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